6種不同類(lèi)型的量子計(jì)算技術(shù)

6種不同類(lèi)型的量子計(jì)算技術(shù)

量子計(jì)算作為前沿科技領(lǐng)域，正吸引著全球科技巨頭和初創(chuàng)企業(yè)的目光。其核心在于利用量子力學(xué)的原理，通過(guò)量子比特（qubit）實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算的強(qiáng)大計(jì)算能力。目前，量子計(jì)算技術(shù)呈現(xiàn)出多樣化的格局，以下六種主要類(lèi)型各有優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)。

1、退火

量子退火使用超導(dǎo)量子比特，但與超導(dǎo)量子計(jì)算不同，它采用模擬計(jì)算模型，適用于優(yōu)化問(wèn)題，例如確定最有效的送貨路線或平衡投資組合。為了解決這些問(wèn)題，量子退火利用量子疊加來(lái)同時(shí)評(píng)估各個(gè)可能解決方案的能量狀態(tài)，同時(shí)量子隧道效應(yīng)有助于識(shí)別最低能量的解決方案，即最佳方法。

量子退火機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)在于其專(zhuān)注于解決復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題，其固有并行性和量子隧道效應(yīng)的使用可以加速這些計(jì)算任務(wù)。然而，量子退火被認(rèn)為不如其他形式的量子計(jì)算多功能，且無(wú)法使用量子錯(cuò)誤糾正（QEC）技術(shù)來(lái)提高可靠性。

2、超導(dǎo)

超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)依賴(lài)于電子電路來(lái)創(chuàng)建量子比特。這種方法使用微波脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)量子門(mén)，這些量子門(mén)會(huì)在量子比特中產(chǎn)生疊加或使它們糾纏。脈沖操控量子比特的量子狀態(tài)以執(zhí)行計(jì)算。超導(dǎo)量子比特的優(yōu)勢(shì)在于其計(jì)算速度較快，并且可以利用成熟的半導(dǎo)體制造技術(shù)。然而，超導(dǎo)量子比特對(duì)環(huán)境噪聲非常敏感，其使用壽命比其他技術(shù)更短。此外，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)依賴(lài)于低溫冷卻系統(tǒng)，如稀釋制冷機(jī)，這增加了成本。Google、IBM、IQM、OxfordQuantumCircuits和RigettiComputing是超導(dǎo)量子技術(shù)的主要提供商。AWS在2025年2月推出的原型量子芯片中也使用了超導(dǎo)貓量子比特，該技術(shù)減少了量子錯(cuò)誤校正所需的資源。

3、捕獲離子

捕獲離子量子計(jì)算機(jī)將帶電粒子（離子）困在一個(gè)電磁場(chǎng)中，這些被困的粒子作為量子比特，而激光被用來(lái)控制這些粒子，實(shí)現(xiàn)量子門(mén)，從而產(chǎn)生諸如疊加和糾纏等特性。捕獲離子量子計(jì)算的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是量子比特可以更長(zhǎng)時(shí)間地保持量子態(tài)，例如疊加和糾纏，這使得量子機(jī)器能夠運(yùn)行復(fù)雜的算法。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是捕獲離子計(jì)算機(jī)不需要低溫冷卻，而是依靠更便宜的激光冷卻。然而，捕獲離子計(jì)算機(jī)通常比其他類(lèi)型的量子計(jì)算機(jī)速度慢。

4、中性原子

中性原子量子計(jì)算機(jī)使用具有凈電荷為零的原子作為量子比特的基礎(chǔ)，通過(guò)激光捕獲原子并操控量子比特的狀態(tài)。中性原子技術(shù)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其可擴(kuò)展性潛力，因?yàn)閝ubits的中性性最大限度地減少了它們之間的干擾，這使得擴(kuò)展qubits“相對(duì)簡(jiǎn)單”。此外，這種方法還可以在室溫下運(yùn)行，使用激光冷卻qubits。然而，將中性原子計(jì)算機(jī)擴(kuò)展到某些閾值以上可能會(huì)遇到挑戰(zhàn)。

5、光子

光子量子計(jì)算依賴(lài)于光的量子特性，如偏振，并使用光子作為量子比特進(jìn)行計(jì)算。這種機(jī)器使用諸如光束分裂器和相位移器之類(lèi)的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)量子門(mén)。光子量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)包括速度和能夠在沒(méi)有復(fù)雜冷卻系統(tǒng)的情況下運(yùn)行。然而，光子損失是一個(gè)主要缺點(diǎn)，這可能會(huì)阻礙性能。

6、量子點(diǎn)

量子點(diǎn)量子計(jì)算使用被稱(chēng)為量子點(diǎn)的納米尺度半導(dǎo)體晶體。量子點(diǎn)限制了帶電粒子，如電子，這些粒子作為量子比特。使用這種模式的機(jī)器通過(guò)操控量子比特的自旋狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)門(mén)，從而進(jìn)行計(jì)算。量子點(diǎn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其半導(dǎo)體連接，這意味著技術(shù)提供商可以利用經(jīng)典的制造方法來(lái)構(gòu)建“自旋量子比特芯片”。然而，自旋量子比特的尺寸很小，這需要精確的控制電子設(shè)備。此外，量子點(diǎn)通常需要低溫冷卻系統(tǒng)，盡管也有其他機(jī)制被提出。

拓?fù)淞孔颖忍兀盒屡d的希望

微軟在2025年2月推出的Majorana1量子處理單元將人們的注意力集中在拓?fù)淞孔颖忍剡@一新興技術(shù)上。這種方法基于拓?fù)涑瑢?dǎo)性，微軟將其描述為一種新的物質(zhì)狀態(tài)。微軟表示，這一發(fā)展源于將半導(dǎo)體indiumarsenide與超導(dǎo)體鋁結(jié)合在一起的設(shè)備制造。盡管批評(píng)者已經(jīng)質(zhì)疑微軟的聲明的可靠性，但Njordis的創(chuàng)始人指出，如果微軟的突破真的能夠?qū)嶋H實(shí)現(xiàn)，而不是停留在理論層面，那將是對(duì)該領(lǐng)域非常有前景的方法。微軟在拓?fù)浞椒ㄉ贤度肓舜罅抠Y金，已經(jīng)很多年了。事實(shí)上，微軟物理學(xué)家在2017年的微軟Ignite會(huì)議上與首席執(zhí)行官薩蒂亞·納德拉討論了拓?fù)湮镔|(zhì)和Majorana方法。一年后，微軟支持的研究人員發(fā)表了一篇關(guān)于Majorana的論文，但在2021年被撤回。然而，微軟在2025年2月發(fā)布的研究中重新強(qiáng)調(diào)了其觀點(diǎn)，并在《自然》期刊中發(fā)表的文章中展示了“一種根本不同的量子比特”的工程能力。

未來(lái)展望：誰(shuí)將主導(dǎo)？